高層隔震結構減震機理和設計分析★

尤文貴，張俊騰

(福建農業職業技術學院,福建 福州 350119)

我國地處世界兩大地震帶之間,自2008年汶川地震以來接連發生多起地震,說明我國進入了地震活躍時期。建筑結構抗震設計經歷了剛性設計、柔性設計和延性設計階段[1]。傳統的抗震設計理念[2]主要是通過提高建筑的強度、剛度和延性來抵抗地震作用的破壞。這樣的抗震設計理念存在一個重要的問題:為了抵抗地震破壞而采取提高建筑的強度和剛度往往需要加大構件材料的用量,增大建筑結構的重量,這將導致建筑結構遭受的地震作用同步增加。因此,傳統的抗震設計理念需要進一步的優化。在此背景下,隔震設計理念[3]孕育而生。隔震結構[4-5]采用在層間設置隔震支座,在小震作用下由于隔震支座具有較大的剛度使得上部結構不產生明顯的水平變形,在中大震作用下隔震支座具有較大的變形能力使得上部結構的自振周期得以明顯的延長從而減少地震作用。2021年新修訂的《建筑抗震管理條例》第十六條規定:位于高烈度的設防地區的乙類建筑應采用減隔震技術,鼓勵除前款規定以外的建設工程減隔震技術以提高建筑的抗震性能。今后我國的隔震結構的應用必將越來越廣泛。本文以福州某辦公樓隔震結構設計為研究對象,詳細介紹滿足現有規范的設計目標和地震波的選取方法,分析隔震與非隔震兩種情況的上部結構的加速度反應譜,揭示隔震結構的減震機理,為設計師提供參考。

1 工程概況與設計目標

本文采用的工程案例為福州某辦公樓,抗震設防類別為丙類,地上11層,地下1層,為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,底層層高4.5 m,標準層層高為3.6 m,特征周期Tg=0.4 s,抗震設防烈度為7度,設計地震分組為一組,場地類別為Ⅲ類,如圖1所示。設計基本加速度為0.15g,場地周邊10 km內無發震烈斷裂帶不計入近場影響。采用有限元軟件YJK試算后,再根據建筑抗震設計規范[6]和建筑隔震設計標準[7],結構寬高比小于4,風荷載和其他非地震作用下的水平荷載標準值未超過重力荷載標準值的10%,可以采用隔震結構,隔震支座設置在地下室頂板處。抗震設防目標是“小震不壞、中震可修、大震不倒”,采用隔震設計時的上部結構遭受的水平地震作用的設防烈度應比未采用隔震設計時設防烈度至少低半度。即該結構的隔震設計目標是將多遇地震基本加速度時程曲線最大值由55 cm/s2降至35 cm/s2以下,將設防地震基本加速度時程曲線最大值由150 cm/s2降至100 cm/s2以下,如表1所示。

2 地震波的選取

本文采用有限元軟件ETABS分別進行未設置隔震支座與在地下室頂板設置隔震支座彈性時程和非線性彈塑性分析。根據抗震規范,采用時程分析法時,應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線,其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3。本文選取2條天然波和1條人工波進行分析,在頻域中通過傅立葉轉換將輸入的地震波和隔震層的加速度時程轉變為加速度反應譜。如表2所示,天然波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717和Morgan Hill NO471是從YJK軟件和ETABS地震波數據庫里下載的,其峰值加速度分別為58 cm/s2和63 cm/s2,與設計基本加速度為0.15g多遇地震作用下對應的地震加速度時程曲線最大值相適應。如表3所示,天然波Imperial Valley-07 NO200和TH1TG040的峰值加速度分別為149 cm/s2和147 cm/s2,與設計基本加速度為0.15g設防地震作用下對應的地震加速度時程曲線最大值相適應。本工程所處場地為Ⅲ類場地,天然地震波選取時采用頻譜相適應的地震波,如圖2—圖5所示。人工合成波R1和R2采用有限元軟件ETABS根據標準反應譜合成,如圖6—圖9所示,分別對已選用的多遇地震和設防地震的天然波進行匹配計算,兩者的反應譜與規范反應譜擬合較好,主要周期點上的誤差在20%以內,滿足規范要求。

表1 地震加速度時程曲線最大值 cm/s2

表2 多遇地震波詳細信息

表3 設防地震波詳細信息

3 頻域分析

為了更加直觀地反映隔震結構的反應譜特征,選取第1,4,7,10(弱軸X方向平動)振型對應的第1,2,3,4振型的反應譜作為研究對象。根據有限元軟件ETABS軟件計算結果表明,該工程的第1,4,7,10振型對應的周期分別為1.35 s,0.44 s,0.38 s,0.3 s,振型質量參與系數88.52%,6.11%,3.13%,0.78%。如表4所示,在天然地震波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717下第1,4,7,10振型對應的非隔震結構的地震反應譜分別為669.5 mm/s2,1 000.4 mm/s2,776.8 mm/s2,1 121.5 mm/s2,而隔震反應譜對應的地震反應譜分別為669.5 mm/s2,1 000.4 mm/s2,776.8 mm/s2,1 121.5 mm/s2,反應譜減少量分別為361.8 mm/s2,771.8 mm/s2,558 mm/s2,966.2 mm/s2,高階減少量與一階減少量的比值分別為1,2.13,1.54,2.67?？梢钥闯?在多遇地震作用下各振型的隔震反應譜均未超過350 mm/s2的限值。同樣的,如表5所示,在多遇地震波Morgan Hill NO471的作用下,各振型的隔震反應譜也均未超過350 mm/s2的限值,各振型的加速度反應譜都有大幅度的減少?？傮w上,高階振型的減少幅度比低階振型的減少幅度要大。表6給出了人工合成波R1(多遇地震)作用下的各振型加速度反應譜情況,從表6中可以看出,高階振型的參與度比低階振型的參與度低,反應譜減少量總體上高階振型比低階振型反應譜減少量要大,這個規律與前面選取的2種天然地震波的反應譜相同。如表7所示,在天然地震波Imperial Valley-07 NO200(設防地震)下,高階減少量與一階減少量的比值分別為1,2.15,1.8,2.13?？梢钥闯?在設防地震作用下各振型的隔震反應譜均未超過1 000 mm/s2的限值。從表8,表9可以看出,設防地震作用下的反應譜特征與多遇地震作用下的反應譜特征基本上相同。值得注意的是,設防地震作用下隔震反應譜的減少幅度要比多遇地震作用下的反應譜的減少幅度大很多。該隔震體系是通過在上部結構與下部結構,即在地下室頂板處設置隔震支座(消能裝置)以隔離地震能量向上部結構的傳遞。在地震作用時,結構的變形主要集中在隔震支座處,而上部結構的變形大幅減少。從規范的標準反應譜可以看出,如果結構的自振周期較大,則通過設置隔震支座以延遲結構的自振周期來減少反應譜的效果不佳。即從延遲周期原理[8]的角度來看,對于高層結構并不適合采用隔震結構。但經過本文的分析試驗結果表明,在高層結構的底部設置隔震支座的隔震效果顯著。因此,可以采用濾波原理[9-10]來解釋高層隔震原理:地震波能量通過隔震支座后其波峰減少,地震能量被過濾而衰減。

表4 天然地震波Chi-Chi.Taiwan-04 NO2717作用下各振型加速度反應譜對比

表5 天然地震波MorganHill NO471 作用下各振型加速度反應譜對比

表6 人工合成波R1作用下各振型加速度反應譜對比

表7 天然地震波ImperialValley-07 NO200作用下各振型加速度反應譜對比

表8 天然地震波TH1TG040下各振型加速度反應譜對比

表9 人工合成波R2作用下各振型加速度反應譜對比

4 結論

本文對高層結構進行設計分析,給出了設計目標的確定、地震波的選取方法和減震機理,得出了如下結論:

1)采用隔震設計時上部結構遭受的水平地震作用比未采用隔震設計時設防烈度至少低半度很容易就能實現,高層結構特別是高烈度區要實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標采用隔震設計是最優途徑。

2)高層結構隔震設計時采用天然地震波和人工合成地震波可通過觀察地震波的時程曲線圖的主要周期點和最大加速度值并對比反應譜與規范譜的擬合度,來判斷其與建筑場地是否相適應。

3)高層結構在底部設置隔震支座能夠顯著改善上部結構的地震反應譜,其減震機理并不是延遲周期而是濾波原理。